技术：5G物联网技术优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：5G 通信技术的发展为物联网提供了新的解决方案，因此5G 时代被看作物联网的时代。15 k Hz为3.75 k Hz的整数倍，对LTE系统干扰较小。图12.36NB-Io T 上行帧结构与资源块图12.37NB-Io T 下行帧结构NB-Io T 支持常规覆盖、扩展覆盖和极端覆盖三个等级。图12.38NB-Io T 低功耗机制在PSM 模式下，终端设备的通信模块会关闭其信号的收发以及接入层的相关功能，网络只能在每个跟踪区更新最开始的时间段内寻呼到终端。

5G 通信技术的发展为物联网提供了新的解决方案，因此5G 时代被看作物联网的时代。传统物联网主要工作在非授权频谱（＜1 GHz，2.4 GHz等ISM 频段），受限于发射功率，仅能够覆盖几百米的小范围，而且容易受到干扰，不能提供可靠的传输。在4G 技术发展末期，网络运营商提出了低功耗广覆盖（LPWA，Low Power Wide Area）的物联网技术，以期提供更经济的物联网服务。结合工业物联网的需求，5G 技术进一步将物联网应用归纳为两类：海量机器类通信（m MTC，massive Machine Type Communication）主要面向大规模的低成本物联网业务；超可靠低时延（URLLC，Ultra-Reliability and Low Latency Communication）机器类通信主要面向无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。

窄带物联网（NB-Io T，Narrow Band Internet of Things）是具有代表性的m MTC技术，支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接，一个扇区能够支持10 万个连接，设备电池寿命可以达到10年，提供全面的室内蜂窝低速率数据连接覆盖。工作在6 GHz以下的授权频段，可采取带内（利用单独的频带，适合用于GSM 频段的重耕）、保护带（利用LTE系统中边缘无用频带）或独立载波（利用LTE载波中间的任何资源块）三种部署方式，允许运营商根据不同的频谱条件灵活部署。一个NB-IOT 基站可以覆盖10 km 的范围，较GSM 覆盖提升20 dB 的增益，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。

针对物联网通信场景，NB-Io T 对原有的4G 网络特性和终端特性进行了适当地平衡，在距离、移动性、速率、能耗、成本、时延等性能指标中，优先保证距离、能耗和成本，一定程度地降低移动性、时延和速率。

NB-Io T 系统占用180 k Hz带宽，与LTE帧结构中一个资源块的带宽一样，适合用于重耕GSM 频段。这是因为GSM 的信道带宽为200 k Hz，刚好为NB-Io T 的180 k Hz带宽辟出空间，且两边还有10 k Hz的保护间隔。NB-Io T 上行使用单载波频分多址（SC-FDMA）技术，上行要支持单频（Single Tone）传输，子载波间隔除了原有的15 k Hz，还新制订了3.75 k Hz的子载波间隔，共48个子载波。15 k Hz为3.75 k Hz的整数倍，对LTE系统干扰较小。对于15 k Hz的子载波，NB-Io T 的上行帧结构与LTE 相同，帧长10 ms，每帧包含20 个0.5 ms的时隙（slot）；对于3.75 k Hz的子载波，NB-Io T 新定义了2 ms的窄带时隙，每个窄带时隙包含7个符号，每帧包含5个窄带时隙。如图12.36所示。NB-Io T 下行采用正交频分多址（OFDMA）技术，子载波间隔15 k Hz，下行的帧结构与LTE 相同，每帧在频域上包含12个连续的子载波，如图12.37所示。上下行最高支持250 kbit/s。

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图12.36　NB-Io T 上行帧结构与资源块

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图12.37　NB-Io T 下行帧结构

NB-Io T 支持常规覆盖、扩展覆盖和极端覆盖三个等级。为了增强信号覆盖，在NB-Io T下行无线信道上，通过重复向终端发送控制和业务消息，再由终端对重复接收的数据进行合并，来提高数据通信的质量。在NB-Io T 的上行信道上，同样也支持数据重传。此外，终端信号在更窄的LTE带宽（3.75 k Hz）发送，从而增强单位频谱上的信号功率谱密度，提升了上行无线信号在空中的穿透能力。通过上行、下行信道的优化设计，NB-Io T 的耦合损耗（Coupling Loss）最高可以达到164 dB。仿真表明可保证99%的可靠性，相应地，允许时延约为10 s，但实际在最大耦合损耗环境可以达到6 s左右。

NB-Io T 有两种省电模式，即省电模式（PSM，Power Saving Mode）和扩展的不连续接收（eDRX，extended Discontinuous Reception）模式，可以使通信模块只在约定的一段很短暂的时间段内，监听网络对其的寻呼，其他时间则都处于关闭的状态，如图12.38所示。

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图12.38　NB-Io T 低功耗机制

在PSM 模式下，终端设备的通信模块会关闭其信号的收发以及接入层的相关功能，网络只能在每个跟踪区更新（TAU，Tracking Area Update）最开始的时间段内寻呼到终端。PSM适用于几乎没有下行数据流量的应用，大多数情况下，终端超过99%的时间都处于休眠的状态。

eDRX 模式的运行不同于PSM，在一个TAU 周期内，包含多个eDRX 周期，以便网络更实时性地向其建立通信连接（寻呼）。eDRX 的一个TAU 包含一个连接状态周期和一个空闲状态周期，空闲状态周期中则包含了多个eDRX 寻呼周期，每个eDRX 寻呼周期又包含了一个寻呼时间窗（PTW，Paging Time Window）周期和一个PSM 周期。PTW 和PSM 的状态会周期性地交替出现在一个TAU 中，使得终端能够间歇性地处于待机的状态，等待网络对其的呼叫。

NB-Io T 最初就被设计为工作于移动性支持不强的应用场景，不支持连接态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等，因此可简化终端的复杂度，降低终端功耗。

出于低成本考虑，NB-Io T 终端仅支持单天线，仅支持FDD 半双工模式，这意味着上行和下行在频率上分开，终端不会同时处理接收和发送。只需一个切换器去改变发送和接收模式，比全双工所需的元件少。NB-Io T 业务低速率的数据流量，使得通信模组不需要配置大容量的缓存，低带宽则降低了对均衡算法和均衡器性能的要求。NB-Io T 系统性地简化了LTE 协议栈，使得通信单元的软件和硬件也可以相应地降低配置，终端可以使用低成本的专用集成电路，来实现协议简化后的功能。

针对物联网业务的需求特性，NB-Io T 核心网定义了用户面功能优化和控制面功能优化两种方案。用户面功能优化引入无线资源控制的挂起/恢复（Suspend/Resume）流程，减少终端重复进行网络接入的信令开销。当终端和网络之间没有数据流量时，网络将终端置为挂起状态，但在终端和网络中仍旧保留原有的连接配置数据。控制面功能优化包括两种消息传递路径，终端不必在空口建立网络业务承载，就可以直接将业务数据传递到网络。

增强性机器通信（e MTC，enhanced MTC）技术是3GPP定义的另一类m MTC 技术，可以直接接入现有的LTE网络，与NB-Io T 最大的区别在于支持1.4 MHz的射频和基带带宽，支持上下行1 Mbit/s的峰值速率，属于中速率物联网，成本只有Cat1 芯片的25%，相比于GPRS速率要高4倍。

其他非3GPP的低功率广覆盖物联网技术都工作在吉赫兹以下非授权频谱，主要如下。

①Lo RA 通常以星型拓扑布局，其中网关在终端设备和网络后端的中央网络服务器之间中继消息。物理层采用专用的啁啾（Chirp）扩频方案，MAC 协议是基于频率和时间的ALOHA 协议，数据速率在0.3 kbit/s到50 kbit/s之间，覆盖范围在农村地区为10～15 km，在城市地区为3～5 km。

②Sig Fox采用超窄带无线调制作为接入技术，采用的MAC 协议是基于频率和时间的ALOHA 协议。在农村地区覆盖30～50 km，市区为3～10 km。其更高层协议是专有的。

③IEEE 802.11ah 允许单个接入点（AP）向不超过1 千米的区域提供服务。PHY 和MAC协议类似于802.11系列协议，新引入了受限的访问窗口，在此期间仅允许特定数量的设备基于它们的设备ID 进行竞争。

5G 物联网的URLLC场景包括工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等各类场景及应用，要求高可靠、低时延、极高的可用性和/或做到极致。具体来讲，根据ITU 要求，在大量小数据包（32字节）的基础上统计，空口时延应小于1 ms，丢包率小于10-7。该时延是指成功传送应用层IP数据包/消息所花费的时间，时延适用于上行链路和下行链路两个方向，具体从发送方5G 无线协议层入口点，经由5G 无线传输，到接收方5G 无线协议层出口点的时间，包括缓存、终端和基站信号处理等非协议因素。此指标主要针对工业控制场景，车联网场景需单独考虑。

5G 的URLLC实现基于新无线（NR，New Radio）技术，NR 无须考虑后向兼容。URLLC的指标包括时延、可靠性和有效性，从系统设计的角度来看，三个指标单个实现都不难，困难的是同时满足低时延和高可靠。总的原则是以资源换时间、可靠性和有效性，这些资源包括时间域、频率域、编码域和空间域的资源。可以将这些资源设立为专用的资源池，预留给URLLC业务用，也可以不做任何预留，URLLC 业务发生时直接以高优先级在增强移动宽带（eMBB，enhanced Mobile BroadBand）资源中打孔（Puncture）。

降低系统时延的主要技术如下。

①采用更宽带的子载波，如30 k Hz和60 k Hz，子载波间隔越大，时隙越短。同时，NR 采用快速解码，可以降低时延和往返时间。

②引入更小的时间资源单位，如mini-slot。每个5G 时隙中通常包括7个或者14个符号，每个mini-slot包含2个符号，穿插到其他传输的时隙中，与其他宽带业务有效复用。

③上行接入采用免调度许可（Grant Free）机制，多用户之间可共享或独占资源。

④支持异步过程，以节省上行时间同步的开销。

⑤采用快速的混合自动请求重传和快速动态调度等。

在提升系统可靠性方面，可采用的技术如下。

①采用更鲁棒的多天线发射分集机制和所有分集级别，在所有天线振子/站上进行分集编码，在更多频率和带宽上进行发送。

②单时隙传送时，采用鲁棒性强的编码和调制阶数，选择非常低的码率和低的调制星座图，以便在给定SINR 下，提供非常低的误块率，以降低误码率。

③多时隙传送时，在频域和时域中重复传送。

④采用超级鲁棒性信道状态估计，尤其是在SINR 较低时。

⑤在不同频率和不同无线接入技术上建立多连接，在站内或者站间移动中连接永远存在。